文/Thibault Chervy，NTT Research

圖1：電控制促進(jìn)量子點的擴(kuò)展應(yīng)用。

量子點是一種具有獨特性質(zhì)的納米級半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，因其在多領(lǐng)域應(yīng)用的潛力而備受矚目。量子點還可用于捕獲激子，即材料吸收光子時形成的束縛電子-空穴對。對光學(xué)活性量子點實現(xiàn)電控制的新方法，克服了在可擴(kuò)展性和精度方面的傳統(tǒng)限制，促進(jìn)了激子和量子點在光子量子計算等未來尖端領(lǐng)域中的應(yīng)用。

人們對激子的興趣與其內(nèi)在特性有關(guān)。與光子不同，激子壽命極短，其帶有電荷，但整體呈電中性。激子是電子學(xué)與光子學(xué)之間連接的橋梁。激子的電子-空穴對通過輻射復(fù)合（如發(fā)射光子）或非輻射復(fù)合（如聲子發(fā)射）消失。在激子復(fù)合之前的幾皮秒的時間內(nèi)，可以通過施加電場對激子進(jìn)行操控。

由 NTT Research、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家組成的一個研究團(tuán)隊，提出了一種新技術(shù)，該技術(shù)不僅可以電約束激子，而且還可以通過量子點陣列和其他幾何形狀來測量和擴(kuò)展激子。

實驗裝置與結(jié)果

這種新技術(shù)不僅可以決定在哪里捕獲激子，而且還可以決定激子在什么能量下被捕獲。電控制對激子的可擴(kuò)展性至關(guān)重要。該技術(shù)能在一個微小的連接點處保持一個電壓，在結(jié)構(gòu)上與控制數(shù)十億晶體管柵極電壓的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）類似。

實驗采用一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件，該器件的中間層為二維半導(dǎo)體薄片（厚度為 0.7nm或三個原子的厚度），其夾在底柵極電極和頂柵極層之間，頂柵極層上刻有納米孔和蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)激子約束（見圖 1）。為了避免熱波動，這些器件在一個具有光學(xué)通道、封閉循環(huán)的干式低溫恒溫器中冷卻到 5K（-450°F）。

這種激子納米級電控方法，最重要的優(yōu)勢是可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。量子點和其他捕獲方法可以被視為更大系統(tǒng)的基石。獲得具有相同能量的多個量子點，對光子量子信息處理和量子通信等應(yīng)用至關(guān)重要。

現(xiàn)有的材料調(diào)制方法受到材料無序和工藝變化的限制，因此將多個激子保持在相同的能級，一直是極具挑戰(zhàn)。此外，較高的成本也是一個限制條件。例如，讓兩個受限激子達(dá)到相同能級可以通過復(fù)制實驗實現(xiàn)，也就是在兩個不同的裝置中制作兩個樣品。但考慮到實驗室設(shè)備成本，這種方法很難實現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用。

為了解決這個問題，研究團(tuán)隊制作了一個蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)陣列，每個單元結(jié)構(gòu)都有獨立的控制。如圖 2 所示，3個蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)平行排列，間距為 1mm，而每個蝴蝶結(jié)左右兩個結(jié)構(gòu)間隙為 50nm。將左側(cè)電極（BT0）短路，對右側(cè)每個電極（BT1、BT2、BT3）獨立控制。這樣，就可以將每個量子點的控制柵極數(shù)量減少到1個，從而在不影響控制的情況下提高可擴(kuò)展性。

圖 2：具有獨立控制功能的蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)陣列。

研究團(tuán)隊展示了量子點的能量與單個柵極電壓（VBT1、VBT2 和 VBT3）的函數(shù)關(guān)系，其中共用的柵極電壓（VBT0）保持不變（見圖3）。二維激子的能量用藍(lán)點表示。可以看出，三個獨立的柵極隨電壓的變化各不相同，這可能是由于材料的無序性和納米級制造的不確定性造成的。但是，通過施加合適的電壓，可以同時將三個量子點調(diào)諧到簡并狀態(tài)，如圖3右側(cè)的光譜圖所示，分別將柵極BT1、BT2 和 BT3的電壓調(diào)至-11.2V、-4.6V和-3.5V，三個量子點的能量達(dá)到一致。

圖 3：量子點的能量與單個柵極電壓（VBT1、VBT2 和 VBT3）的函數(shù)關(guān)系，其中共用的柵極電壓（VBT0）保持不變。

基礎(chǔ)物理與應(yīng)用

將位置控制、光刻制備量子點與量子點能量的可調(diào)諧性相結(jié)合，形成可擴(kuò)展的量子點陣列，是這種新方法的主要成果。其主要優(yōu)勢是可以擴(kuò)展到任何二維半導(dǎo)體，并且制造技術(shù)的進(jìn)步將使捕獲的長度尺度更小，空間控制能力更強(qiáng)。

光學(xué)計算是一種潛在應(yīng)用，需要光子之間產(chǎn)生相互作用，這就類似于晶體管對電子的控制，可以阻隔電子或允許電子流動。這項研究需要解決的問題是：在光學(xué)領(lǐng)域，量子點的應(yīng)用可以推進(jìn)到什么程度？以及對其他光子實現(xiàn)控制的最小光子數(shù)是多少？

這項研究結(jié)果不僅促進(jìn)了量子點的應(yīng)用，也為基礎(chǔ)物理學(xué)開辟了新方向。這種多用途技術(shù)可以用電來操控量子點，從而在納米尺度上對半導(dǎo)體特性進(jìn)行前所未有的控制。研究團(tuán)隊的下一步目標(biāo)是深入研究這些量子點結(jié)構(gòu)發(fā)出的光的性質(zhì)，并找到將其集成到尖端光子學(xué)架構(gòu)中的方法。